Princípios de Física – Volume 3: Eletromagnetismo

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Este livro, o último volume de uma série de quatro, apresenta de forma clara e lógica os conceitos e os princípios básicos da Física, facilitando sua compreensão por meio de vários exemplos práticos que demonstram seu papel em outras disciplinas, bem como sua aplicação a situações do mundo real. Nesta edição, os autores continuam a privilegiar o enfoque contextual para motivar o aluno, procuram evitar concepções errôneas e utilizam a estratégia de resolução de problemas focada em modelos, evitando as dificuldades corriqueiras quando se ministra um curso de física introdutório baseado no cálculo. Neste volume: Forças elétricas e campos elétricos, Potencial elétrico e capacitância, Corrente e circuitos de corrente contínua, Forças e campos magnéticos, Lei de Faraday e indutância.

Text of Princípios de Física – Volume 3: Eletromagnetismo

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    7 8 8 5 2 2 1 1 6 3 8 69

    Este livro, o terceiro volume de uma srie de quatro, apresenta de forma clara e lgica os conceitos e os princpios bsicos da Fsica, facilitando sua compreenso por meio de vrios exemplos prticos que demonstram seu papel em outras disciplinas, bem como sua aplicao a situaes do mundo real.

    Nesta edio, os autores continuam a privilegiar o enfoque contextua l para motivar o aluno, procuram evitar concepes errneas e utilizam a estratgia de resoluo de problemas focada em modelos, evitando as dificuldades corriqueiras quando se ministra um curso de fsica in-trodutrio baseado no clculo.

    neste volume: Foras eltricas e campos eltricos, Potencial eltrico e capacitncia, Corrente e circuitos de corrente contnua, Foras e campos magnticos, Lei de Faraday e indutncia.

    aplicaes: Destina-se a disciplinas como Fsica Geral, Mecnica e Eletromagnetismo, dos cursos de Engenharia, Fsica, Matemtica, Medicina e Biologia, entre outros.

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    Princpiosde fsica

    Volume III Eletromagnetismo

    Raymond A. SerwayJames Madison University

    John W. Jewett, Jr.California State Polytechnic University, Pomona

    Traduo:

    Foco Tradues

    Reviso tcnica:

    Keli Fabiana SeidelProfessora adjunta da Universidade Tecnolgica Federal do Paran UTFPR

    traduo da 5a edio norte-americana

    Princ Fisica vol III.indb iiiPrinc Fisica vol III.indb iii 03/06/2014 13:45:1503/06/2014 13:45:15

  • Sobre os autores xii

    Prefcio ix

    Ao aluno xxiii

    Contexto 6 | Relmpagos 1

    19 Foras eltricas e campos eltricos 319.1 Viso histrica 419.2 Propriedades de cargas eltricas 419.3 Isolantes e condutores 619.4 Lei de Coulomb 819.5 Campos eltricos 1119.6 Linhas de campos eltricos 1819.7 Movimento de partculas carregadas em um campo

    eltrico uniforme 2019.8 Fluxo eltrico 2219.9 Lei de Gauss 2419.10 Aplicao da lei de Gauss para vrios

    distribuidores de cargas 2719.11 Condutores em equilbrio eletrosttico 3019.12 Contedo em contexto: o campo eltrico atmosfrico 32

    20 Potencial eltrico e capacitncia 4520.1 Potencial eltrico e diferena de potencial 4620.2 Diferena de potencial em um campo eltrico

    uniforme 4720.3 Potencial eltrico e energia potencial gerados por cargas

    pontuais 5020.4 Obteno o valor do campo eltrico com base no potencial

    eltrico 5320.5 Potencial eltrico gerado por distribuies de cargas

    contnuas 5520.6 Potencial eltrico gerado por um condutor carregado 5820.7 Capacitncia 6120.8 Combinaes de capacitores 6420.9 Energia armazenada em um capacitor carregado 6820.10 Capacitores com dieltricos 7120.11 Contedo em contexto: a atmosfera como capacitor 75

    21 Corrente e circuitos de corrente contnua 89

    21.1 Corrente eltrica 9021.2 Resistncia e Lei de Ohm 9321.3 Supercondutores 9921.4 Um modelo de conduo eltrica 10021.5 Energia e potncia nos circuitos eltricos 103

    Sumrio

    21.6 Fontes de FEM 10621.7 Resistores em srie e em paralelo 10821.8 Leis de Kirchhoff 11421.9 Circuitos RC 11721.10 Contedo em contexto: a atmosfera como um

    condutor 123

    Contexto 6 | CONCLUSO Determinando o nmero de raios 135

    Contexto 7 | Magnetismo na medicina 137

    22 Foras magnticas e campos magnticos 139

    22.1 Sntese histrica 14022.2 O campo magntico 14022.3 Movimento de uma partcula carregada em um campo

    magntico uniforme 14422.4 Aplicaes envolvendo partculas carregadas em

    movimento em um campo magntico 14822.5 Fora magntica em um condutor transportando

    corrente 15022.6 Torque em uma espira percorrida por corrente em um

    campo magntico uniforme 15322.7 Lei de BiotSavart 15622.8 A fora magntica entre dois condutores paralelos 15922.9 Lei de Ampre 16022.10 Campo magntico de um solenoide 16422.11 Magnetismo na matria 16622.12 Contedo em contexto: navegao magntica remota para

    procedimentos de ablao por cateter 167

    23 Lei de Faraday e indutncia 18123.1 Lei da induo de Faraday 18123.2 FEM de movimento 18623.3 Lei de Lenz 19123.4 Foras eletromotrizes induzidas e campos eltricos 19423.5 Indutncia 19623.6 Circuitos RL 19823.7 Energia armazenada em um campo magntico 20223.8 Contedo em contexto: o uso da estimulao magntica

    transcraniana na depresso 205

    Contexto 7 | CONCLUSO Ressonncia magntica e ressonncia magntica nuclear 219

    Apndices A-1

    Respostas dos testes rpidos e problemas mpares R-1

    ndice remissivo I-1

    v

    Princ Fisica vol III.indb vPrinc Fisica vol III.indb v 03/06/2014 13:45:1603/06/2014 13:45:16

  • Sobre os autores

    Raymond A. Serway recebeu seu doutorado no Illinois Institute of Technology e Professor Emrito na James Madison University. Em 2011, foi premiado com um grau honorfico de doutorado pela sua alma mater, Utica College. Em 1990, recebeu o prmio Madison Scholar Award na James Madison University, onde lecionou por 17 anos. Dr. Serway comeou sua carreira de professor na Clark-son University, onde conduziu pesquisas e lecionou de 1967 a 1980. Recebeu o prmio Distinguished Teaching Award na Clarkson University em 1977 e o Alumni Achievement Award da Utica College em 1985. Como Cientista Convi-dado no IBM Research Laboratory em Zurique, Sua, trabalhou com K. Alex Mller, que recebeu o Prmio Nobel em 1987. Serway tambm foi cientista visitante no Argonne National Laboratory, onde colaborou com seu mentor e amigo, o falecido Dr. Sam Marshall. Serway coautor de College Physics, nona edio; Physiscs for Scientists and Engineers, oitava edio; Essentials of College Phy-sics; Modern Physics; terceira edio; e o livro-texto Physics para ensino mdio, publicado por Holt McDougal. Adicionalmente, Dr. Serway publicou mais de 40 trabalhos de pesquisa no campo de Fsica da Matria condensada e minis-trou mais de 60 palestras em encontros profissionais. Dr. Serway e sua esposa, Elizabeth, gostam de viajar, jogar golfe, pescar, cuidar do jardim, cantar no coro da igreja e, especialmente, de passar um tempo precioso com seus quatro filhos e nove netos e, recentemente, um bisneto.

    John W. Jewett, Jr. concluiu a graduao em Fsica na Drexel University e o doutorado na Ohio State University, especializando-se nas propriedades pti-cas e magnticas da matria condensada. Dr. Jewett comeou sua carreira aca-dmica na Richard Stockton College of New Jersey, onde lecionou de 1974 a 1984. Atualmente, Professor Emrito de Fsica da California State Polytechnic University, em Pomona. Durante sua carreira tcnica de ensino, o Dr. Jewett foi ativo em promover a educao efetiva da fsica. Alm de receber quatro prmios National Science Foundation, ajudou a fundar e dirigir o Southern California Area Modern Physics Institute (SCAMPI) e o Science IMPACT (Insti-tute for Modern Pedagogy and Creative Teaching). As honrarias do Dr. Jewett incluem o Stockton Merit Award na Richard Stockton College em 1980, foi sele-cionado como professor de destaque na California State Polytechnic Univer-sity em 1991-1992 e recebeu o prmio de excelncia no Ensino de Fsica Uni-versitrio da American Association of Physics Teachers (AAPT) em 1998. Em 2010, recebeu o Alumni Achievement Award da Universidade de Drexel em reconhecimento s suas contribuies no ensino de Fsica. J apresentou mais de 100 palestras, tanto nos EUA como no exterior, incluindo mltiplas apre-sentaes nos encontros nacionais da AAPT. Dr. Jewett autor de The World of Physics: Mysteries, Magic, and Myth, que apresenta muitas conexes entre a Fsica e vrias experincias do dia a dia. Alm de seu trabalho como coautor de Fsica para Cientistas e Engenheiros, ele tambm coautor de Princpios da Fsica, bem como de Global Issues, um conjunto de quatro volumes de manuais de instruo em cincia integrada para o ensino mdio. Dr. Jewett gosta de tocar teclado com sua banda formada somente por fsicos, gosta de viagens, fotografia suba-qutica, aprender idiomas estrangeiros e colecionar aparelhos mdicos antigos que podem ser utilizados como aparatos em suas aulas. O mais importante, ele adora passar o tempo com sua esposa, Lisa, e seus filhos e netos.

    vii

    Princ Fisica vol III.indb viiPrinc Fisica vol III.indb vii 03/06/2014 13:45:1603/06/2014 13:45:16

  • Prefcio

    Princpios de Fsica foi criado como um curso introdutrio de Fsica de um ano baseado em clculo para alunos de engenharia e cincia e para alunos de pr-medicina fazendo cursos rigorosos de fsica. Esta edio traz muitas caractersticas pedaggicas novas, not